同時Hygrothermo-機械的刺激下でのポリマーおよび繊維強化ポリマー複合材料の耐久性研究のための試験プラットホーム

サマリー

使用中のポリマーおよび繊維強化ポリマー複合材料の耐久性は、それらの設計と状態ベースのメンテナンスにとって重要な側面です。私たちは、同時の機械的負荷と環境負荷の影響を調査するための新しい低コストの実験室試験プラットフォームを提示し、より効率的で安全な複合構造の設計に役立つ可能性があります。

要約

使用条件の下でポリマーと繊維強化ポリマー複合材料の耐久性は、ロバスト設計及び状態監視保全のために対処すべき重要な側面である。これらの材料は、航空機や船舶の構造から、橋梁、風車翼、生体材料、および生物医学的インプラント、エンジニアリング幅広い用途で採用されている。ポリマーは、粘弾性材料であり、その応答は高度に非線形であるため、予測し、それらのサービスのパフォーマンスを監視することが困難なことがあります。ここに提示実験室規模のテストプラットフォームは、これらの材料上の同時機械的負荷および環境条件の影響の調査を支援します。プラットフォームは、低コストかつユーザーフレンドリーであるように設計した。その耐薬品性素材は、流体へのインサービスの暴露に起因する化学分解の研究とは、プラットフォームが適応する。実験例は、クローズドセルポリウレタンを室温で行った。フォームサンプルは、それらの最終的な静的及び乾燥負荷の約50％に相当する重量を負荷。結果は、試験装置は、これらの研究のために適切であることを示している。結果はまた、より高い中点変位と低い残留障害負荷に基づいて、同時荷重下のポリマーの大きな脆弱性を強調。推奨は、試験装置に付加的な改善のために作られている。

概要

ポリマーおよび繊維強化ポリマー（FRP）複合材料は、航空機や宇宙船、海軍艦艇、公共インフラに至るまで、土木構造物の様々な採用されている、（Katnam ら ^{1、Hollaway 2、Mouritz} らの例のレビューを参照^。3）、車や電車、風車翼、縫合糸およびインプラント補綴と生体材料へ。これらの材料は「耐久性）はメタルバックポリエチレン⁶に着るa）は熱機械的荷重の組み合わせを含むことができる複雑なサービスシナリオ、 例えば 、公共インフラ⁴において、凍結融解サイクル、亜音速/超音速飛行プロファイル^5、に影響される。 、環境·化学剤、 例えば 、海水、除氷、航空宇宙、海軍の構造^7-10による唾液¹¹にポリメチルメタクリレート歯科用複合材料の分解のための作動油にb）の劣化。 c）の複雑なINTE締め付けまたは結合した関節における材料のractions、 例えば 、異種材料間の電解腐食や剥離、航空機のアルミ皮膚上の炭素/ファイバパッチ修理、またはステンレス鋼¹²によって締結カーボン/ PEEK製骨プレートにいるかどうか。

これらの材料の長期耐久性に同時稼働中の刺激の影響残念ながら限られた知識がある。ほとんどのポリマーは、粘弾性材料として分類することができる。機械的な負荷および環境条件が大きく、ポリマーの粘弾性応答に影響を与える。したがって、これらの材料の長期動作の信頼性モデルは、結合された温湿度、機械的、化学的刺激への時間依存性応答を組み込むことができるべきである。これは次に、設計の予測、安全性、状態監視保全/交換プロトコルが向上します。

温湿度の影響に関する実験的試験に大きな文学本体があります例えば、温湿度の拡散試験用：サンプルのスケールで許可されていれば、材料サンプルを、所望の湿度と温度のレベルでチャンバ内に配置することができる。試料は、数週間から数年^10,13-17に、一定の時間のため、それらの質量及び/又は体積変化を測定するために、定期的に除去される。湿熱試験は、材料のみの機械的応答に湿熱刺激の効果に関する情報を提供し、機械的試験、 すなわち 、残留/静的疲労強度/破壊力学試験^17-19、続いてもよい。テストデータは、単純なフィックの拡散の濃度、ストレス、温度、可逆的物理的老化/可塑化で不可逆化学反応への依存性を含むモデルに、変化する複雑性の拡散モデルに取り付けることができる。この実験的な出力は、さらなる構造解析に組み込むことができる。

いくつかの著者は、同時HYの影響に対処しているgrothermalと機械的刺激。それらの研究FRP複合材料の中では、ノイマンとGarom浸漬し^20は強調し、蒸留水でストレスのない標本。応力が異なるバネ剛性と圧縮荷重を使用して負荷を調整する、圧縮されたステンレス鋼ばねの内側に標本を配置することにより塗布した。同様の手順がワンらによって報告されている^。21。 HelblingとKarbhari ^22は、異なる相対湿度パーセント（RH％）と温度レベルの環境チャンバ内に曲げ治具を用いる。プレコンディショニング試験片は、その複合の静的極限引張り歪みのパーセンテージに対応する、所定の曲げ歪みレベルに供した。 Kasturiarachchiとプリチャード^23は、大きなガラスデシケーター中で棚の上に配置したステンレス鋼4点曲げ治具（検体ごとに1つ）を用意しました。デシケーターを部分的に、蒸留水で満たされた府を防ぐために、小さなリークを有した圧力のildup、95％RHでの湿度室に入れた。ゲッレールトとターリー^7を組み合わせクリープ荷重および100％RH下での耐久性のための海洋グレードのFRP複合検体を調べた。完全に海水に浸されている間、それらのサンプルは、障害静的たわみ荷重の20％に等しい一定の荷重で4点曲げにロードした。クリープ変形は、中央断面のビーム、及びガラス板の外表面の間に厚さゲージを用いて定期的に取得した（これは、そのような測定は、チャンバの外部で実行されたと推定される）。アブデル-Magid ら ²⁴検体を究極のアキシアル荷重の20％で、繊維方向に沿ってテンションにロードされたように、NASAラングレーによって提供されたインバー環境具にガラス/エポキシのサンプルを置いた。 EllyinとRohrbarcher ²⁵に^は、最大140日間温湿度テストを実行した後、油圧式試験機で疲労試験片をテストした。標本複数のチューブと、水供給源に接続された湿ったチーズクロスに包まれた。伯爵ら ^26は、ロード·フィクスチャと大きな環境室（5.5メートル^3）で標本を配置。

多くの実験的研究で検討したように、環境条件は、ポリマー「機械的特性および応答に影響を与える。いくつかの限定された実験はまた、機械的応力/歪みの存在がポリマー中に拡散プロセスに影響を与えることを示している。したがって、機械的および非機械的効果の両方の下でポリマーベースの材料の全体的なパフォーマンス上の理解を高めるために、同時検査が必要とされている。

この論文で議論テストプラットフォームの設計の背後にあるいくつかの目的がありました。まず、プラットフォームは、風力タービンaのFRPサンドイッチ複合材料の異なるタイプのhygrothermo機械的挙動に複数年の調査における実験の一部であるND海軍のエンジニアリングアプリケーション。テストデータは、ポリマー複合材料の粘弾性構成方程式のパラメータを較正するために使用される。構成モデルはMulianaと共同研究者^27〜30によって長年にわたって開発作業に基づいています。第二の目的は、 例えば 、容易に実験室で再配置することができた例の1（ 例えば 、質量測定のためのスケールに、または流体の供給源に、のために、低コストかつユーザーフレンドリーなテストのプラットフォームを持っていることだった1が来て蛇口、換気フードまたは可燃性のキャビネットから）。第三の目標は、このように標本がそのような化学物質に浸漬することができ、一般的にサービスで使用される化学物質の数（特に、作動油、除氷、航空宇宙用途^8-10のための洗浄溶剤）に耐性のあるテスト·プラットフォームを作成することでした、とその耐久性を評価することができた。

室（ 図1）は 、高密度polyethyleで構築した高い耐薬品性を有してね。上述したように、今後は、油圧流体に浸漬複合材料のhygrothermo機械的調査、除氷、洗浄溶剤を含むことが期待される。熱調節は、テストの不可欠な側面であるので、発泡ポリスチレンフォームは、環境との熱交換を防止するために、タンクの側面の周りにフィットし、テープと鉄骨自体によって所定の位置に固定した。

チャンバの蓋（ 図2）は 、ユーザがテストを妨害することなく、テスト中の試料を観察することができ、透明、9.525ミリメートル厚のポリカーボネートから製造した。蓋は、タンクの両側に張り出したブラケットの下にスライドする機械加工したアルミニウムT-バーによって適所に固定される。

標本の曲げは、蓋から垂れ下がり、および蓋のスロットに固定されている3アルミブロック、が制定されている。 3ブロックは、4秒まで許可する蓋スロットはブロック間隔が標本の長さに応じて調整することを可能にしながらpecimensは、一度にテストされる。各ブロックは、ASTM標準D790-10の遵守で、12.7ミリメートルの直径との接触エッジに丸みを帯びている。標本は（ 図1-2）を曲げ誘導するために、その中心に適用上向きの力を3つのブロックの2の下に配置されている。

装置は、最大の汎用性と使いやすさを念頭に置いて設計されました。 41.275ミリメートルの直径を有するキャスターは、モビリティの目的のために、チャンバの下に固定されている。それらの上方に、タンク支持用金網底とクロスビームを溶接鋼管フレームによって支持されている。外部のタンクのコーナー角度ストックスペーサーは、（後述する、文字列ポット装置）オーバーヘッド重量及び変位計によって押しつぶされるの絶縁を保つために製造した。トップの周りに、角度ストックはフレーミングのために再び使用した。 measuにプーリーと文字列ポテンショメータシステムミッドスパン偏向再4鋼、正方形チューブアーチ（ 図3）に取り付けられている。これらの4人のうち中央2アーチは、文字列のポテンショメータを運ぶと試料汎用性を考慮するように調節可能である。文字列のポテンショメータは、3方面からの電子出力をねじりバネ（リトラクタブルキーランヤードで見つけることができるように）とポテンショメータを用いて構築した。プーリーが整列し、調節可能なウェイト·アプリケーション用チャンバーの側面上吊りロッドに試料による剛性の接続から実行されているスチールケーブルで使用するために実装されている。

負荷は、ケーブル、滑車、結合および一連のボルトを使用して試料に適用される。 、10mmのクロスバーはスパンの中央に接触しているように、最初に、試料は、Uボルト内に配置される。各端部のアイボルトと9.525ミリメートル直径のスチールロッドは、次にUボルトに接続される。この鋼の接続は、チャンバの蓋を通過する。スチールケーブルとケブラーThreadは、Uボルト反対アイボルトに取り付けられている。これは文字列のポテンショメータからケブラースレッドが剛性の点からデータを読み取ることができます。スチールケーブルは、上向きに継続し、負荷がタンクの周囲に適用することができる2つのプーリの上を通過する。ケーブルは、次に、スロット重量ハンガーとしての9.525ミリメートル直径のスチールロッドに取り付けられている。このハンガースロット重みが所望の負荷を適用するために設定することができる場所を提供する。

プロトコル

1.検体のロード

1. タンクの蓋を上げます（ 図4）側がサポートする際にそれを休ま。
2. Uボルトで試料を置き、クロスバーは試験片の中央に接触していることを確認してください。
3. 蓋からぶら下がっアルミ支持体上の試験片の両端を休ま。試験片の両端はオーバーハング5〜10 mmの持っている必要があります。
4. 繰り返しますがテストされます標本のすべてのために1.2〜1.4を繰り返します。
5. 蓋サポートを外し、下蓋、および蓋は、タンクのリップに着座していることを確認してください。
6. 外側プーリ隣鋼棒に重みを加えることによって、所望の力を加える。

2.変位測定

1. 文字列ポテンショラインがピンと張っ引かれていることを確認します。
2. デジタルマルチメータを使用して、ピン3のピン1に黒と赤で、ポテンショメータの外 ​​ピン（ 図3）間の抵抗を測定すると読書を記録します。
3. （この場合は、1kΩのは64.895ミリメートル変位に相当）抵抗は校正係数を計算することによって読み変位に読んで変換します。
4. 繰り返しますが、各試料のための2.1から2.3を繰り返します。

3.標本計量

1. 計量手順を開始する前に、変位データを記録およびASTM D5229 ^31、または適切なテストの標準に従って、室温での試験流体を充填暫定保持チャンバーを準備します。
2. スチールケーブルの端からスロット重みを削除します。
3. タンクの蓋を持ち上げ、サイドサポートの際にそれを休ま。
4. 試料を取り出して、準備された暫定保持室に配置します。標本のすべてに対して、この手順を繰り返します。
5. 標本を削除し、個別に余分な水分を除去するために、マイクロファイバーの布を使用してそれらを乾燥させてください。
6. 高精度のスケールで試料を置き、データrを記録eading。
7. を繰り返し、すべての試験片の3.5から3.6を繰り返した後、 プロトコルステップ1に従ってください。

結果

試験装置は、正常に三点曲げ下の流体に浸漬標本を開催している。合理的な精度で、標本は、中間点偏向変更ポテンショメータからの正確な読み出しを負荷し、試験することができる。電気抵抗の変化は、0.1μmのオーダーの変位分解能をもたらし、4桁の有効数字に記録することができる。

Hygrothermo機械的試験は、公称寸法215ミリメートルの長さ×24ミリメートル幅×18 mmの厚さを有する、独立気泡ポリウレタンフォームの4片の二つのグループにRTで行った。一つのグループはタンク内の空気のように意図された乾燥条件下室、）でテスト、及びb）50％RH（テストは実験室で6月末に開催されました〜の周囲の相対湿度でホットに位置していた米国およびドライ北カリフォルニアセントラルバレー、）。このサンプルの最初のグループは、本明細書では「ドライ検体」として示されている。第二の群完全に脱イオン水（本明細書中で「湿潤試験片」として示され、100％RH）に浸漬しつつ、サンプル槽で試験した。標本は、（1.780±0.116）キログラムで、その結果、静的な乾燥条件下でそれらの最大荷重の50％にほぼ等しい重みを掛ける...

ディスカッション

取得したデータからは、コンカレントテストシナリオは、独立気泡ポリウレタン発泡体試験片の耐久性に影響を与えなかったことが分かる。これは、乾燥および湿潤試料の（ 図6）（図5）が有意に異なる変位を比較して故障の残留負荷によって見ることができる。 図7残留強度試験後の試験片の写真を示す。また、乾燥試料の変位は、24時間の観察期間内に定常状態に達している間、湿った試料のものではなかったことが観察されるべきである。したがって、将来の試験は、エアコン試料の定常状態の動作を実現するか（例えば、材料行った場合など、定常状態は、所定の試験時間枠内で可能でないかもしれないことを確立するのいずれかに、より長い時間間隔で行われる故障につながる劣化）。

図6のボックスプロット湿った試験片の故障残留負荷の分布が乾燥試験片の場合に関して静的に異なると低いことを示している。

この結果を直接比較が原因比較的限定公開されたデータと異なる...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
アルミニウム6061長方形	バーMcMaster-Carr、米国	8975K268、1668T72、7062T17、	テストプラットフォームの一部
アルミニウム6061 90°角度	McMaster-Carr、米国	8982K91、8982K14	テストプラットフォームの一部
440Cステンレス鋼	McMaster-Carr、米国	6253K52	試験プラットフォームの一部
高密度ポリエチレンシート	Tap Plastics, USA	N/A (厚さ0.236インチ×幅10.75インチ×長さ16.75インチ)	試験プラットフォームの一部
高密度ポリエチレンシート	Tap Plastics, USA	N/A (厚さ0.354インチ×幅6インチ×長さ10インチ)	試験プラットフォームの一部
高密度ポリエチレンシート	タッププラスチック、米国	N / A(厚さ0.354インチx幅6インチx長さ16.75インチ)	テストプラットフォームの一部
ポリカーボネートシート	Tap Plastics、米国	N / A(厚さ0.375インチ、幅11.5インチ、長さ17.5インチ)	テストプラットフォームの一部
発泡スチロール	ホームデポ	モデル#310880インターネット#202532855	テストプラットフォームの一部
亜鉛メッキ鋼ロープ	McMaster-Carr、 米国	3498T63	テストプラットフォームの一部
アイボルト	McMaster-Carr、米国	3013T341	テストプラットフォームの一部
低炭素鋼90°C、角度	McMaster-Carr、米国	9017K444	テストプラットフォームの一部
低炭素鋼棒	McMaster-Carr、米国	8920K84、8920K75、8920K231、8920K135、8920K84	テストプラットフォームの一部
低炭素鋼管	McMaster-Carr、米国	6527K314、8910K394、8910K395、8920K94	テストプラットフォームの一部
304ステンレス鋼Uボルト	マクマスターカー、米国	8896T104	テストプラットフォームの一部
スチールプーリー	マクマスターカー、米国	3099T34	テストプラットフォーム
の一部1008炭素鋼シート	マクマスターカー、米国	9302T113	テストプラットフォームの一部
スイベルキャスターハーバー	フレイト、米国	41519	テストプラットフォーム
100の一部-lbfビニールウェイトセット	Overstock.com	11767059	テストプラットフォームの一部
独立気泡ポリウレタンフォーム	一般プラスチック、米国	FR-3704	テストサンプル
脱イオン水	蛇口、PurLabフィルタリングシステム	N/A	タンクのコンディショニング液
ねじりスプリング	格納式キークリップ、Ebay、米国	ロット10	ストリングポテンショメータ
ケブラー糸	Cabela's	IK-321909	ストリングポテンショメータの構築に使用
10 kΩ ポテンショメータ	Ebay, USA	3590S-2-103L	ストリングポテンショメータの構築に使用
デジタルマルチメータ	Harbor Freight, USA	98674	ストリングポテンショメータの抵抗測定に使用